Ionstråler og atomknusere:månestens hemmeligheder

Måneprøver indsamlet af Apollo-astronauterne for et halvt århundrede siden indeholder svar på spørgsmål, der ikke engang var forskernes tanker på det tidspunkt, da nye teknologiske værktøjer giver indsigt i nogle af de ældste mysterier om månen, jorden og solsystemet.

Den 20. juli, 1969, da Apollo-astronauten Neil Armstrong klatrede ned ad stigen fra "Eagle" månelandingsmodulet, han befandt sig omgivet af et hav af gråt - en flade af pudret støv, som intet menneske nogensinde havde set personligt. Det ikoniske print lavet af hans venstre støvle markerede, men det første skridt på en lang opdagelsesrejse, en opdagelse om månen og vores egen verden - som begge rummer hemmeligheder, som videnskabsmænd kun er begyndt at afsløre.

Halvtreds år efter at Apollo-astronauterne indsamlede prøver af månens sten og støv under deres strejftogter gennem månelandskabet, der er stadig mysterier, der skal løses, og en videnskabsmand fra University of Arizona leder efter svar. Jessica Barnes, en kommende adjunkt i UA's Lunar and Planetary Laboratory, blev for nylig udvalgt af NASA til at modtage adgang til dyrebare uåbnede månestensprøver.

Under NASA's Apollo Next Generation Sample Analysis, eller ANGSA, program, Barnes vil få adgang til Apollo 17 prøve 71036, som indeholder næsten fire ounces sten. Adskillige prøver fra denne mission blev oprindeligt behandlet under nominelle laboratorieforhold, beskyttet mod luftpåvirkning af et nitrogenskab ved stuetemperatur, og blev derefter anbragt på køl inden for en måned efter hjemkomst.

"Da disse prøver blev bragt tilbage, kuratorerne havde fremsynethed til at sige, "i dette øjeblik har vi ikke alle metoder til at besvare alle de spørgsmål, som disse prøver kunne hjælpe os med at besvare", og så de låste nogle væk til fremtidig undersøgelse, " siger Barnes. "De indså, at fremtidige teknologier ville give os mulighed for at gøre ting, der ville have været umulige på det tidspunkt, og at folk ville komme med nye spørgsmål, og det er virkelig spændende, fordi vi er på det tidspunkt nu."

Barnes er på en søgen efter at finde ud af, hvor vand kom fra i det tidlige solsystem, og hvordan det har udviklet sig over tid. Tidligere forskning, herunder noget af hendes eget arbejde, antyder, at visse rumbjergarter kendt som kulholdige kondritter bragte vand med sig, da de ramte Jorden og Mars, og potentielt nogle af de større asteroider. Det er ikke tilfældigt, at Bennu, målasteroiden for den UA-ledede OSIRIS-REx prøvereturmission, er en kulstofholdig kondrit.

Følg Vandet

"For at forstå, hvor vandet i solsystemet kom fra, og især hvordan det endte på Jorden, Mars, og i asteroidebæltet, vi skal overveje månen, " siger Barnes, hvis nuværende forskning fokuserer på at spore vandmeteoritter, herunder nogle af Mars-oprindelse, og måneprøver indsamlet under Apollo 11, 14, og 17. "Forståelse af, hvordan livet på Jorden begyndte, er tæt knyttet til historien om, hvordan vandet ankom her. Måneprøver er kritiske brikker i dette puslespil, fordi i modsætning til Jorden, hvor de ældste sten stort set er blevet slettet af pladetektonik, månens gamle stenrekord er stadig intakt."

For omkring 4,6 milliarder år siden, da en hvirvlende tåge af gas og støv begyndte at kollapse til en skive, der ville give anledning til vores solsystem, klippeplaneterne og de kulholdige kondritter udviklede sig forskellige steder og på forskellige tidspunkter, Barnes forklarer, hvilket udgør et problem for scenariet, der involverer tidlige asteroider som varsler om vand.

"Det var kun 10 år siden, at vand blev opdaget på månen, ikke kun på overfladen, men også inde i mineraler, " siger Barnes. "I videnskaben, det er en ret kort tidsplan, og vi har ikke fundet ud af det hele endnu. Hvor meget vand er der? Kom det fra Jorden under det store nedslag, som vi tror skabte månen, eller blev det givet til månen senere? Er det ensartet fordelt eller i pletter inden for månens kappe?"

For at finde svar på sådanne spørgsmål, Barnes, som ikke engang var født, da Apollo-astronauterne krydsede månens overflade til fods og med deres rovere, bruger teknologi, der ikke blev opfundet før i begyndelsen af ​​2000'erne.

"Når du først modtager din prøve, du ved ikke hvad du ser på, så du starter med en visuel analyse, " siger Tom Zega, peger på et simpelt dissekerende mikroskop, som dem, der bruges i indledende naturvidenskabelige laboratorier. Zega er lektor i planetariske videnskaber, og materialevidenskab og teknik, og co-investigator på ANGSA-projektet. Han er også direktør for Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility på LPL, en state-of-the-art facilitet designet med ét mål:udtrække så meget information fra prøver, både terrestriske og udenjordiske, som muligt.

At studere et stykke månesten under et optisk mikroskop er kun det første skridt i en række analytiske teknikker, UA-forskere har til deres rådighed. For enden er et 12 fod højt transmissionselektronmikroskop, eller TEM. Finansieret af National Science Foundation og NASA, dens serienummer er "1", fordi det er den første af sin slags i verden med denne nøjagtige konfiguration. Det er 200, 000 volt elektronstråle kan sondere stof ned til 78 picometer, skalaer for små til at den menneskelige hjerne kan forstå.

"Hvis du vil vide, hvordan et atom fra fødslen af ​​vores solsystem ser ud, Jeg kan vise dig, " siger Zega. For at få en prøve til, hvor den giver afkald på så mange detaljer om sin oprindelse og historie, imidlertid, kræver en række komplekse instrumenter og ekspertise, som ingen enkelt disciplin kan levere.

"I dag, al den interessante videnskab sker i skæringspunktet mellem forskellige felter, " siger Zega. "I min gruppe har vi kosmokemikere, kvantekemikere, astrofysikere og astrodynamik, blandt andre. Dette arbejde kræver en unik blanding af viden og færdigheder. Tag TEM, for eksempel:det er et kvantemekanisk værktøj, så du skal være ekspert i fysik, materialevidenskab og kemi på samme tid."

A Nano-scale Excavator

Another instrument, called an electron microprobe, allows researchers to discover certain properties of a sample by scanning it with an electron beam. Som det gør, a spatial image of the sample emerges, in this case revealing an abstract, speckled landscape of light and dark areas that cosmochemists can read like a map.

"Heavier elements appear brighter, and lighter elements appear darker, " Zega says. "So this tells us, for eksempel, where and how much iron there is compared to oxygen in a lunar sample."

Applying the same principle but scanning a sample with x-rays instead of electrons reveals a little more. When Barnes moves to the UA this fall, after wrapping up her current research at NASA's Johnson Space Center, she hopes to be able to expand the capacities of the Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility with a next-generation NanoSIMS instrument, which stands for nanoscale secondary ion mass spectrometry.

The beauty of this technology, siger Barnes, lies in its ability to analyze isotopes, essentially different "varieties" of chemical elements, at very small scales, less than one-fiftieth the width of a human hair. Measuring the composition of different volatile elements such as hydrogen and chlorine in the rock tells the researcher something about the chemical make-up of the magma from which the rock crystallized and how its chemistry evolved over time.

"These data allow us to understand the chemistry of the moon's interior, " she says. "Ultimately we are able to say something about how the moon evolved and where its water came from."

The possibilities don't end here. To a curator during the Apollo days, a focused ion-beam scanning electron microscope, or FIB-SEM, would have sounded like utter science fiction:By smashing the bonds between atoms inside the sample with a beam of heavy gallium ions, the instrument works essentially like a nano scale excavator, Zega explains.

"Except that compared to other FIBs, which act like shovels, this one is a scalpel, " han siger.

FIB-SEM allows scientists to cut out tiny pieces from a sample with high precision and analyze only those pieces. This technique recently enabled Zega's team to discover a grain of dust forged in the death throes of a star long before our solar system was born.

Untouched Samples

"What we want to know from our samples is, how well do they conform to how we think the solar system formed based on astrophysical models?" Zega says.

The same applies to the origin of the moon, siger Barnes.

"It's not just analytical instruments that have improved. In the last 10 years major advancements in impact simulations and numerical modeling have allowed the community to simulate the speed, size and number of the bodies that might have been involved in creating the Earth-moon system."

Analyzing samples from extraterrestrial bodies goes beyond the origins of the Earth and the moon, of course. They are critical pieces in the puzzle because they allow scientists to test hypotheses about formation processes in the solar system based on simulations and models.

"We have had lunar samples here for decades, " says Timothy Swindle, director of the LPL. "Our faculty have been studying the composition of the moon for a long time, and what's so special about these samples is that they were valuable 50 years ago, and they will be valuable 50 years from now."

When asked what the Apollo samples can tell us 50 years later, Barnes says:"Being able to study these previously unopened samples is like a whole new lunar sample return mission. Not only do we get to be a part of the history of opening these samples, but we also will be using this opportunity to study how curation practices, such as ambient versus cold storage, affect our ability to measure a lunar water signature.

"It's exciting because this has never been done before."